arduinoで4桁7セグメントLEDの表示

arduinoでの4桁7セグメントLEDの表示を行うメモです。

7セグメントLEDの基礎については、下記の記事が参考になると思います（2015/01/28追記)
武蔵野電波のブレッドボーダーズ 「7セグメントLEDを使ってみよう」
武蔵野電波のブレッドボーダーズ  「LEDは楽しい電子部品」

センサー等を付けて、測定する場合に数値を表示したいので作成しました。

電子回路の知識はまだまだ素人に毛が生えたレベルなので、こんな回路でも
まともに動かすのに意外と時間がかかります。

4桁7セグメントLED表示機能の詳細

arduinoのI/Oピンの利用数を減らすため、シフトレジスタを使いダイナミック点灯にて
LEDを表示します。

利用した部品

・赤色７セグメントＬＥＤ表示器(カソードコモン) OSL40562-LR x 1 ・・・  秋月電子にて購入
・１２ビットシリアル－パラレル変換ＩＣ　ＮＪＵ３７１４D x 1 ・・・   秋月電子にて購入
・トランジスタアレイ（７ｃｈ）ＴＤ６２００３ＡＰ x 1 ・・・  秋月電子にて購入
・1/4W 330Ω カーボン抵抗 x 8 ・・・  秋月電子にて購入

ＮＪＵ３７１４Dはポピュラーなシフトレジスタ74HC595と同じように使えます。
12ビットあるので、表示パターン用の8ビットと桁切り替え用の4ビットを1つで制御できます。

LEDに使う抵抗値の計算

秋月電子のHPに計算方法が紹介されていたので計算しました。

OSL40562-LR の商品説明およびデータシートからVF=2.0V、IF10mAとすると
   抵抗 = (5V -2.0V)  / 10mA = 300Ω となります。
手持ちの330Ωを利用することにします。

この時にカーソドードコモン流れる最大電流は１桁当たり8個のLEDが点灯するので
  10mA x 8 = 80mA
となり80mA必要です。

arduino UNOでは1ピン当たり40mAしか流せないのでこのままではLEDが
点灯出来ません。そこでトランジスタを使ってもっと多く流すようにします。

今回はトランジスタアレイＴＤ６２００３ＡＰを使いました。
このICは７つ分のNPNダイリストントランジスタが入っていて抵抗やらも内蔵されているので、
直接ロジックピンに接続して利用できます。

このあたりは、『昼夜逆転』工作室(J.Sugitaさん） のホームページの
「8桁対応 7セグテストボード」の記事が大変参考になりました。

取りあえず、回路もどきを書いてみました。

うーん、PowerPointで書いたのでちょっと汚いです。
フリーのツールいろいろと試したのですが、データシートの図を流用できる
ようなのが無いので自分的にはPowerPointが一番楽でした。

赤線がarduinoに接続する配線です。

プログラムソース

#include <stdlib.h> #include <MsTimer2.h> // 利用ピン #define pin_clr 2 #define pin_stb 3 #define pin_clk 4 #define pin_data 5 // キャラクターコード #define SEG_CHAR_0 0 #define SEG_CHAR_1 1 #define SEG_CHAR_2 2 #define SEG_CHAR_3 3 #define SEG_CHAR_4 4 #define SEG_CHAR_5 5 #define SEG_CHAR_6 6 #define SEG_CHAR_7 7 #define SEG_CHAR_8 8 #define SEG_CHAR_9 9 #define SEG_CHAR_A 10 #define SEG_CHAR_B 11 #define SEG_CHAR_C 12 #define SEG_CHAR_D 13 #define SEG_CHAR_E 14 #define SEG_CHAR_F 15 #define SEG_CHAR_SPACE 16 #define SEG_CHAR_BAR 17 #define SEG_CHAR_DOT 19 // 7SEG表示パターン boolean lseg[19][8] = {     // a b c d e f g dp      { 1,1,1,1,1,1,0,0}, //0 :0      { 0,1,1,0,0,0,0,0}, //1 :1      { 1,1,0,1,1,0,1,0}, //2 :2      { 1,1,1,1,0,0,1,0}, //3 :3      { 0,1,1,0,0,1,1,0}, //4 :4      { 1,0,1,1,0,1,1,0}, //5 :5      { 1,0,1,1,1,1,1,0}, //6 :6      { 1,1,1,0,0,0,0,0}, //7 :7      { 1,1,1,1,1,1,1,0}, //8 :8      { 1,1,1,1,0,1,1,0}, //9 :9      { 1,1,1,0,1,1,1,0}, //A :10      { 0,0,1,1,1,1,1,0}, //b :11      { 1,0,0,1,1,1,0,0}, //C :12      { 0,1,1,1,1,0,1,0}, //d :13      { 1,0,0,1,1,1,1,0}, //E :14      { 1,0,0,0,1,1,1,0}, //F :15         { 0,0,0,0,0,0,0,0}, //  :16         { 0,0,0,0,0,0,1,0}, //- :17         { 0,0,0,0,0,0,0,1} //.  :18    }; // 桁表示パターン boolean dig[4][4] = {   {0,0,0,1},   {0,0,1,0},   {0,1,0,0},   {1,0,0,0} }; //表示データ char bcd[4] = {1,2,3,4}; int dotno =0; int num =1000; // 7セグLEDのクリア void clear_bcd() {   dotno =0;   bcd[0]= SEG_CHAR_SPACE;   bcd[1]= SEG_CHAR_SPACE;   bcd[2]= SEG_CHAR_SPACE;   bcd[3]= SEG_CHAR_SPACE;  } // 7セグLEDへの表示 void led_print(char* str) {   char c;   int n = strlen(str);   clear_bcd();    boolean pre = 0;   int sl = 0;     for (int i=0; i <n || sl < 4; i++) {     c = str[i];     if (c == '.') {         if (pre) {             dotno = sl;         }     } else if ( isdigit((int)c) ) {       bcd[sl++] = c - '0';       pre = 1;     } else if ( isalpha((int)c)) {       if (c >='a' && c <= 'f') {           bcd[sl++] = c - 'a' + SEG_CHAR_A;           pre = 1;       } else if (c >= 'A' && c <= 'F') {           bcd[sl++] = c - 'A' + SEG_CHAR_A;           pre = 1;       }            } else if (c == '-') {       bcd[sl++] = SEG_CHAR_BAR;             pre = 1;     } else {       bcd[sl++] = SEG_CHAR_SPACE;     } } } // 指定桁の表示 void segout(char no, char num, boolean p) {   // 12 ビットデータ転送   // 桁の指定   for (int i=0; i< 4; i++) {     digitalWrite(pin_data, dig[no][i]);     digitalWrite(pin_clk, HIGH);      digitalWrite(pin_clk, LOW);    }      // キャラクタの指定   digitalWrite(pin_data, p);   digitalWrite(pin_clk, HIGH);    digitalWrite(pin_clk, LOW);    for (int i=1; i< 8; i++) {     digitalWrite(pin_data, lseg[num][7-i]);     digitalWrite(pin_clk, HIGH);      digitalWrite(pin_clk, LOW);    }     digitalWrite(pin_stb, LOW);   digitalWrite(pin_stb, HIGH);   delay(2); } // タイマー割り込みで7セグLED4桁表示 void disp() {   int n = 0;   boolean p =0;   for (int i = 0; i < 4;i++) {     if (3-i == dotno -1)       p = 1;     else       p = 0;     segout(n,bcd[3-i],p);     n++;     if (n >= 4) {        n =0;     }   }   digitalWrite(pin_clr, LOW);   digitalWrite(pin_clr, HIGH);  } void setup() {    for(byte i = 2; i < 6; i++){     pinMode(i, OUTPUT);      }   digitalWrite(pin_clr, HIGH);     digitalWrite(pin_stb, HIGH);   digitalWrite(pin_clk, LOW);   digitalWrite(pin_data, LOW);   // タイマー割り込み   MsTimer2::set(20, disp);   MsTimer2::start(); } void loop() { char str[10]; sprintf(str,"%4d",num);  led_print(str); delay(1000); num++; if (num >= 10000) {    num = 0; } } 

LEDへ4桁表示するには、led_print("1234")のように文字列で指定します。
led_print("12.34")、led_print("-12.3")等の小数点やマイナス記号も指定できます。

表示処理はタイマー割り込みで20msecの間隔で行っています。
タイマー割り込みライブラリはMsTimer2を使っています。入手方法及び使い方は、
「Arduino 日本語リファレンス MsTimer2(ミリ秒単位で指定するタイマ)」を参照。

プログラム作成にあたっては、
くらんべりーさんのブログ 「特に縛りなく」の「arduinoで4桁7セグメントLEDを使ってみる」を
参考にさせて頂きました。大変勉強になりました。

取りあえず試作が出来たので、プログラムはライブラリ化し、電子回路は基板に
はんだ付けしてモジュール化しようと思います。

今回の回路はICを２つ使ったのですが、MAX7219というICを使うともっと回路の簡略化、
プログラムの簡略化が出来るようです。

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